diseño bocatoma-001

Universidad Central de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Escuela de Ingeniería Civil en Obras Civiles Proyecto de Hidraulica

Una “bocatoma” es la obra civil destinada a extraer un cierto caudal de agua de una fuente. Esta puede ser río, embalse o lago, etc. La función de la Bocatoma es elevar el nivel de las aguas del río, para permitir su captación mediante una obra de toma y luego conducir el agua hacia la Planta de Tratamiento.Sus principales características técnicas son:

Avenida máxima de diseño 420 m³/seg

Barraje tipo fijo, longitud de la cresta 75 m

Obra de Toma de cuatro luces Q=5.0 m³/seg

Sedimentador primario Q=5.0 m³/seg

2 Sedimentadores secundarios con desarenadores paralelos de 2.5 m³/seg c/u

Cámara de Carga hacia Planta Potabilizadora mediante tubería de concreto DN=1,400 mm

I. ASPECTOS GENERALESLa bocatoma puede ser de tipo superficial o profunda. Normalmente cuando se capta

Diseño de Bocatoma12. de Septiembre 2003

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desde un río o estero, la bocatoma es superficial, en cambio cuando se capta desde un embalse o lago, la captación será profunda. Normalmente en una bocatoma superficial la obra de aducción es un canal abierto o acueducto, en cambio en una bocatoma profunda la aducción es un túnel a presión.

Un aspecto importante y decisivo en el diseño de la obra, es el período de utilización de la bocatoma. Una bocatoma que opera continuamente durante todo el año, debe contar con los elementos de control para operar en condiciones adversas, como son las grandes crecidas de invierno. Una obra de este tipo debe poder captar el caudal de diseño con toda la gama de caudales en el río. Las bocatomas de las centrales hidroeléctricas o de agua potable para una ciudad tienen esta característica.

Las bocatomas de temporada, como son las bocatomas de los canales de regadío, operan durante una cierta época del año y permanecen cerradas durante el invierno (época que no se riega), de esta manera no quedan solicitadas


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durante las grandes crecidas de invierno y por lo tanto no requieren de equipamiento para afrontar esta situaciones. Naturalmente deben afrontar las crecidas de deshielo durante la primavera y verano.

El diseño y proyecto de una bocatoma es una tarea muy interesante para un ingeniero hidráulico, por cuanto se trata de un proyecto muy completo, que requiere de los más variados aspectos de la hidráulica aplicada y de otras especialidades de la ingeniería civil. También debe contarse

con el concurso de otras disciplinas de la ingeniería, como los proyectos de ingeniería mecánicas y eléctrica, principalmente en el equipamiento de compuertas, dotación de la fuerza motriz y control de la operación de los equipos. En relación con la ingeniería con la ingeniería civil, aparecen en forma muy importante los diseños estructurales de las diversas obras, la geotécnica y los aspectos constructivos de la obra (especialmente los relacionados con la desviación del río para construir la obra y las faenas de agotamiento, etc.). Al especialista hidráulico le compete fijar las características de la


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obra, las dimensiones generales y formas, como también la arquitectura de la bocatoma.

II. BOCATOMAS EN RIOS.Introducción

El proyecto de una bocatoma superficial, ya sea mediana o grande, en un río con gran acarreo de sólidos, como es el caso de la mayoría de los ríos de la zona central del país, presenta variados aspectos complejos que en la mayoría de los casos deben estudiarse en modelos físicos. En estos ríos los períodos de mayor acarreo se producen durante las grandes crecidas pluviales del invierno y en las crecidas de deshielo en primavera.A continuación nos referimos a los distintos temas del diseño hidráulico, principalmente a las hipótesis y principios del diseño obtenidos de la experiencia con modelos hidráulicos y de la operación de obras. Es necesario hacer notar que las consideraciones y principios que aquí se exponen no tienen una validez absoluta y más bien deben utilizarse como orientación general al proyectista. El esquema típico de una bocatoma se muestra en la siguiente figura. La obra consta de las siguientes partes:


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II.1.- BARRERA

La barrera a lo ancho del río permite elevar el espejo de agua a fin de derivar el caudal requerido por la captación.


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La barrera puede tener una parte consistente en un umbral provisto de compuertas, La cota de este umbral corresponde aproximadamente a la del lecho del río en la sección donde se ubica. Esta obra se denomina “barrera móvil” y permite, mediante la operación de las compuertas, elevar el nivel del espejo de agua o dejar pasar el caudal del río hacia aguas abajo. Las compuertas pueden ser planas o de segmento, siendo éstas últimas muy utilizadas debido a que son robustas, fáciles de operar, no tienen ranuras en las cuales se pueden encajar piedras fácilmente.

La barrera puede tener también otra parte fija, la cual puede cerrar completamente la sub-sección correspondiente o bien puede ser un vertedero que permite evacuar parte del caudal del río y así colaborar en la evacuación de crecidas.

En obras menores, con un caudal de captación muy inferior al del río, podrá captarse el caudal a desviar sin necesidad de elevar el nivel del río. En estos casos no se requiere disponer de una barrera de cierre. En obras pequeñas que operan principalmente en primavera y verano (bocatomas de temporada). La barrera puede ser provisoria y muy rústica, por ejemplo mediante el acopio del mismo material fluvial del lecho de río, o mediante gabiones o “patas de cabras” (horquillas de rollizos rellenas de piedras y cerradas con malla metálica).

II.2.- OBRA DE CAPTACION

La obra de captación llamada también “obra de toma” constituye el inicio del canal de aducción. Está constituida por un umbral ubicada a cierta altura sobre el lecho del río para evitar la entrada del material fluvial; por paños de rejas que evitan la entrada de material flotante como ramas, hojas, troncos, etc; por las compuertas que permiten regular el caudal que entra al canal. Las compuertas deben controlar el caudal que entra al canal durante las crecidas, para evitar el desborde de la aducción.

La barrera producirá un remanso en el río, con una acumulación de agua en la zona inmediata a la captación, que denominaremos la “poza” de captación.

II.3.- UBICACION DE LA CAPTACION EN UN TRAMO DE RIO

Es muy importante ubicar correctamente a la obra de captación, la barrera (parte móvil y parte fija) en el río, lo cual está directamente ligado con la entrada de sedimentos a la aducción y con la posibilidad de limpieza de la poza. Hay muchas bocatomas con una buena capacidad de limpieza local de los sedimentos en la zona


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adyacente de la obra de toma, pero con una imposibilidad muy grande de movilizar a los bancos de sedimentos en la poza, en zonas cercanas a la captación. Hay que tener presente que los bancos de depósitos en la poza constituyen una fuente importante de los sedimentos que tarde o temprano llegarán a la obra de toma.

El profesor Arturo Rocha en su texto "Introducción técnica al estudio de Bocatomas" (1978), da cuenta de un estudio experimental efectuado por él en el Instituto Fransius (Hanover, Alemania), para el caso de captar en un tramo recto de río un cierto porcentaje del caudal líquido. Rocha determinó el porcentaje del gasto sólido captado en función del porcentaje del gasto líquido.

Figura N°1

La figura 1. muestra el caso estudiado y las denominaciones usadas.Q : Caudal del río antes de la captación.Ql : Caudal derivado en la captación.Q, : Caudal del río aguas abajo de la captación.Q, : Gasto sólido total en el río aguas arriba de la toma.Q" : Gasto sólido total que entra a la captación.Q,, : Gasto sólido que sigue por el río.

Indudablemente se debe verificar:

Q = Q1 + Q2

QF = QF1 + QF2


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La validez de las ecuaciones está vinculada con el tiempo. En un intervalo de tiempo corto se producen alteraciones en el balance por procesos de erosión o depositación, de modo que se llega al equilibrio en intervalos grandes de tiempo (algunas horas).

Lo que interesa al proyectista es captar un caudal Q1 con el mínimo de material sólido. La teoría no permite predecir el porcentaje de sólidos que ingresarán al canal. En forma experimental se ha determinado que para una captación del 50% del gasto líquido del río (Q1/Q = 0, 5) , el porcentaje de entrada de sólidos arrastrados por el fondo alcanza a un porcentaje del 90% aproximadamente. Un redondeo en la esquinas de la obra de entrada no altera mayormente este porcentaje. Observando detalladamente el escurrimiento en el laboratorio, se aprecia que son las capas inferiores del flujo las que se dirigen principalmente hacia el canal derivado. Como son estas capas inferiores las que están cargadas de sedimentos, se entiende fácilmente este porcentaje tan alto de entrada de sólidos a la captación. La explicación es la indicada: la distribución de velocidades muestra valores menores en la cercanía del fondo del canal y mayores en la parte superior del flujo, debido a su menor cantidad de movimiento son las capas inferiores las que preferentemente cambian de dirección y por el contrario las capas superiores del flujo siguen su trayectoria en la dirección del canal principal. Este hecho se denomina "efecto Bulle" en homenaje al científico que lo puso de relieve por primera vez en el laboratorio de Karlsruhe.

Si se hace un análisis dimensional del la entrada de sólidos a un canal, se establece la relación general:

Qf1/qf = f (q/ (v*D) , ω, q1 / q, β)

En la relación anterior el significado de los términos es:

q : Caudal por unidad de ancho en el río.Q1 :. Caudal por unidad de ancho captado.ω : Velocidad de sedimentación del material arrastrado.v : Velocidad media de la corriente.D : Diámetro de las partículas sólidas.V. : (velocidad de corte)β : Ángulo del canal saliente con el eje del canal principal.

La relación de toma (q1/q) es importante en el proyecto de una bocatoma. El funcionamiento eficiente de una bocatoma debe estar basado en el principio de no aceptar una relación de toma tan alta que el caudal pasante del río, no tenga la suficiente capacidad de transporte para arrastrar a los sólidos hacia aguas abajo. Obviamente si se capta el 100% del gasto líquido es inevitable captar el 100% de sólidos.

En la figura 2. se muestra un gráfico adimensional preparado por Rocha, basado en mediciones hechas por Darcy, relativo al gasto sólido en suspensión que ingresa a 'La captación. Se observa que para valores altos del parámetro α=2.5 * ω/ v, que


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corresponde a sedimentos gruesos con una mayor concentración del material en la zona cercana al fondo, la proporción de entrada del gasto sólido tiende a realizarse según el efecto de Bulle; en cambio para valores pequeños de “α" (sedimentos finos) , que presentan una distribución vertical casi uniforme del sólido en suspensión, la proporción de gasto sólido captado tiende a ser igual a la de los gastos líquidos.

El efecto del ángulo "ß” de desviación, según Rocha, es pequeño y no existe un ángulo optimo.

Se consigue un efecto notable en la disminución del gasto sólido captado, cuando la obra de toma se ubica en el lado exterior de una curva del río. Se obtienen mejores resultados a medida que la captación se aproxima al inicio de la curva. Una explicación de este fenómeno es que el canal de captación aparece como la continuación del cauce principal, mientras que éste aparece como el canal derivado. Se produce la inversión del efecto de Bulle.

Sin embargo la explicación física se encuentra en las corrientes secundarias que se producen en la curva debido a la fuerza centrífuga. Las masas de agua superficiales, con mayor velocidad, se mueven hacia el 'Lado exterior de la curva obligando a las masas más profundas a desplazarse hacia el lado interior de la curva. Se crean corrientes intensas de fondo hacia el interior de la curva, que son capaces de arrastrar a los sólidos hacia el lado interior de la curva. Siempre el lado exterior de una curva es una zona de erosión, en cambio el lado interior es una zona de depositación de sedimentos. Una captación ubicada en el lado exterior de una curva asegura una zona de captación profunda y exenta de sólidos. Nunca debe captarse en el lado interno de una curva, es una regla de oro de la Hidráulica Aplicada. (ver figura 3)

Figura 2.


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Figura 3.

La figura 4. muestra la influencia de la ubicación del canal derivado con respecto a la curvatura del canal principal, indicando los porcentajes de material sólido de fondo captado de acuerdo a las experiencias de Haber-Maas. En todos los casos estudiados, la proporción de toma es Q1/Q =0,5. En el ensayo (a) la bifurcación está en un tramo recto e ingresa el 95% de los sólidos de fondo. En el ensayo (b) la bifurcación se ubica en la margen interior de un tramo curvo., comprobándose que ingresa prácticamente la totalidad del arrastre de fondo. En los ensayos (c) , (d) y (e) la bifurcaci6n se encuentra en la margen exterior de la curva. Se obtienen mejores resultados a medida que la captación se aproxima al inicio de la curva.

Figura 4.


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II.4.- ELEMENTOS DE LIMPIEZA DE SEDIMENTOS JUNTO A LA OBRA DE CAPTACION.

Ya se comentó el efecto de Bulle y de la curvatura del río en la entrada de sedimentos a una captación. Para paliar la tendencia natural de la entrada de sedimentos a la obra de toma, es necesario disponer las obras necesarias que permitan remover los depósitos locales que tienden a producirse delante del umbral de captación. Estos dispositivos pueden consistir en un umbral suficientemente alto, canal desripiador provisto de compuerta en su extremo de aguas abajo, reja provista de barras adicionales en su paño inferior, orificio frontales de purga, etc.

Cada uno de estos dispositivos debe ser cuidadosamente estudiado en el laboratorio para verificar su comportamiento en las diversas situaciones que pueden ocurrir durante la operación de la captación.

El modelo hidráulico de la bocatoma de la Central Isla, mostró la conveniencia de contar con un umbral suficientemente alto a fin de evitar que los sedimentos depositados frente al umbral ingresen al canal. Lo ideal es tener un umbral de unos 2 [m] de altura en su sección más baja (quizás puede admitirse como mínimo una altura de 1,5 mt. Si la zona de aguas arriba del umbral no está embancada, esta altura puede parecer exagerada, pero en la medida que se acumula material al pie del umbral y disminuye la distancia vertical entre el radier de la captación y la parte superior de los depósitos, basta una corriente secundaria para remover a los sedimentos y llevarlos sobre el umbral, entrando a la aducción. Así por ejemplo, la abertura de la compuerta desripiadora, en un canal desripiador recto delante del umbral, puede generar un vértice de eje horizontal debido al caudal que ingresa lateralmente, levantando al material depositado.

Los sistemas de eliminación de los depósitos de sedimentos, junto a la captación, pueden clasificarse en:

- Sistema de purga de operación continua.

- Sistema de purga de operación discontinuo.

En el primer caso, el sistema opera continuamente la 24 hrs. del día, cuando el caudal del río supera al caudal del inicio del acarreo de fondo "Q iG”. Normalmente se requiere un caudal de purga entre el 5 y el 15% del caudal captado. Tiene la ventaja de no requerir de un umbral alto, necesario para retener a los depósitos de sedimentos al pie del umbral de captación, lo cual significa una barrera de menor altura o bien una toma de menor anchura, que pueda operar con una mayor carga. Tiene el inconveniente de requerir un consumo importante de agua y una operación cuidadosa.

El sistema de purga de operación discontinuo es el más utilizado por la menor pérdida de agua, entre el 2 y 5% del caudal captado. Se le utiliza cuando el caudal de inicio de arrastre de fondo "QiG” es levemente superior o incluso menor al gasto


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máximo de diseño de la captación "Q0". El sistema requiere de una operación cuidadosa, con limpiezas de duración apropiada y frecuencia adecuada.

El Prof. Rocha sostiene que la relación de toma (cuociente entre el caudal captado y el caudal total del río) es el parámetro más relevante en la entrada de sedimentos a la captación. Si se capta el 100% del agua del río es inevitable captar el 100% de los sólidos. Según Müller, si se capta con una relación de toma de 0,50 o menor, es perfectamente posible eliminar totalmente la entrada de sedimentos a la captación, con dispositivos adecuados de limpieza y una operación cuidadosa.

II.5.- DISPOSITIVOS DE PURGA CONTINUA.

Entre los dispositivos más utilizados pueden indicarse:

Ante-canal curvo con compuerta desripiadora en su extremo de aguas abajo en el lado interior de la curva como se muestra en la figura 5. Los inconvenientes de esta solución son la excesiva turbulencia en el ante – canal junto a la entrada y el caudal elevado que debe evacuar continuamente el sistema.

Figura 5.Túneles de purga con la boca frontal en el umbral de la captación. Estos túneles son muy efectivos cuando operan continuamente en la medida que llega material sólido a la obra de toma. Si no se operan y llegan sedimentos a la boca de entrada, pueden obstruirse con el material depositado. En esta situación resulta sumamente difícil la limpieza del túnel a menos que se disponga la compuerta en la boca de entrada (diseño muy complejo desde el punto de vista mecánico).


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Las bocas de entrada de los túneles de purga tienen una zona de acción limitada en la succión de los sedimentos, por lo cual la ubicación y disposición, así como el número necesario de túneles, debe ser cuidadosamente comprobado en un modelo hidráulico. (ver figura 6).

Figura 6.

II.6.- DISPOSITIVOS DE PURGA DISCONTINUO.

Es el sistema más económico cuando el caudal del inicio del acarreo de fondo del río "QiG” es levemente superior o incluso algo inferior al caudal máximo de captación Q0

(caudal de diseño) . El sistema requiere de una operación cuidadosa, haciendo limpiezas con la frecuencia y duración apropiadas.

El diseño más conveniente es el canal desripiador recto aguas arriba del umbral de captación. El canal debe contemplar una o más compuertas desripiadoras, generalmente ubicadas en línea con las compuertas de la barrera móvil y termina aguas abajo de ellas, generalmente coincidiendo con el término del umbral de la barrera móvil. Para efectuar la limpieza de sedimentos depositados aguas arriba del umbral de la obra de toma, es necesario deprimir la poza abriendo la o las compuertas desripiadoras y generando un torrente enérgico en el canal desripiador, capaz de movilizar hacia aguas abajo los bancos de sedimentos depositados al pie del umbral de captación. (Figura 7.)


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Figura 7.Se ha obtenido el mejor resultado con un canal desripiador recto y paralelo al eje

del río, formado por el mismo umbral de la captación y con un muro sumergido paralelo al umbral. La cota de su coronamiento debe ser similar a la del umbral de la toma. El canal está abierto por el lado de aguas arriba y debe tener una pendiente fuerte como mínimo del 3%, para crear un torrente con la capacidad de acarreo suficiente.

El umbral debe tener una altura tal que permita acumular sólidos en el canal desripiador. Es deseable unos 2 [m] de altura en su punto más bajo y como mínimo 1, 50 [m] . La anchura del canal desripiador debe ser cercana al doble de la altura del umbral (su mayor altura), a fin de evitar que los sedimentos de los bancos adyacentes al muro sumergido del canal desripiador, pasen por saltación al umbral de captación.

Las compuertas desripiadoras deben ubicarse en línea con las otras compuertas de la barrera móvil, facilitando la disposición mecánica de las compuertas. Es preferible usar una sola compuerta desripiadora evitando un mach6n intermedio en el canal. Un obstáculo en el canal, siempre puede ahogar al torrente y perder el efecto de limpieza hidráulica.

La limpieza esporádica debe efectuarse abriendo totalmente la compuerta desripiadora, deprimiendo la poza y evitando el vertido sobre el muro lateral sumergido del canal desripiador. El vertimiento sobre el muro crea un flujo altamente turbulento con tendencia a un movimiento helicoidal que produce el levantamiento del material depositado en el canal mismo y su introducción en la aducción. En el caso de un caudal alto en el río, la poza debe deprimirse abriendo las compuertas de la barrera móvil, en especial tratando de arrastrar a los bancos de sedimentos acumulados en la poza.

Una dificultad práctica del sistema de purga discontinua, es la de decidir la oportunidad de efectuar la limpieza y el vaciado de la poza, debido a la imposibilidad de visualizar la acumulación de los sedimentos en la cercanía del umbral de captación y más aún en los períodos de fuerte acarreo con aguas generalmente turbias. Sólo la experiencia del operador puede fijar la frecuencia de las "limpiezas" del canal desripiador o bien usando detectores de sedimentos en el fondo del canal desripiador. El personal de operación tiene la tendencia de abrir lo menos posible la purga discontinuo a fin de perder menos agua (en la centrales hidroeléctricas signif ica una menor generación de energía) , sin embargo ello puede significar la entrada de material a la aducción con la formación de bancos en el canal, con todos los inconvenientes en la capacidad de conducción.


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Según se comprobó en el modelo de la bocatoma de la central Isla, la disposición de canal desripiador recto paralelo al unbral de captación y perpendicular a la barrera móvil permite una limpieza eficaz de los depósitos acumulados aguas arriba del umbral. Tiene el inconveniente de captar en forma inadecuada cuando las velocidades en la poza son relativamente altas, particularmente en las crecidas. El diseño del muro guiador de la obra de toma hacia aguas arriba junto a la ribera del río y la capacidad de acarreo del río de los sedimentos evacuados por el canal desripiador deben ser verificados en un modelo hidráulico.

II.7.- OTROS DISPOSITIVOS DE LA OBRA DE TOMA

La obra de toma es la estructura que admite al caudal que entra a la aducción y por lo tanto debe estar dotada de los elementos que permiten la regulación del gasto. Estos elementos son compuertas que pueden ser planas o de segmentos. A menudo con el fin de no utilizar compuertas de un luz muy grande, se disponen machones separadores para emplear varias compuertas. Normalmente estos machones dan apoyo a un puente para la operación de las compuertas. Además, de las compuertas de servicio se agregan compuertas planas o tableros de emergencia necesarios para la mantención mecánica de las compuertas de servicio.

Aguas abajo de la estructura de compuertas de dispone la transición de la sección rectangular a la sección del canal de aducción. Usualmente aguas arriba de la estructura de compuertas se dispone una reja gruesa (separación de barras entre 0,15 a 0,20 m ) a fin de evitar la entrada de cuerpos flotantes a la aducción y también evitar que los troncos o arbustos flotantes pueden quedar atorados entre las pasadas de compuertas, lo cual es particularmente corriente en las crecidas.

Un punto que merece ser comentado es la determinación de la pérdida de carga que se produce a través de la reja. Existen muchas fórmulas para determinar la pérdida de carga que puede esperarse en la reja. La fórmula de Berezinsky es relativamente moderna y completa y nos referiremos a ella:

Pr = Kd*Kf*p1.6*f(L/b)-sen *v2 /2g (2.8)

Pr = Pérdida de carga a través de la reja.Kd = Coeficiente que toma en cuenta el grado de obstrucción. Se puede usar el valor

de 1,1 a 1,2 para rejas dotadas de equipos modernos limpia-rejas y de 1,5 para equipos antiguos. El valor 2 a 4 para rejas con limpieza manual.

Kf = Este coeficiente depende la forma de las barras. Para pletinas rectangulares alargadas el valor es de 0,51 para barras circulares es de 0,35 y para barras rectangulares con redondeos en las puntas es de 0,32.


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p = Coeficiente de obstrucción que es la relación entre el área ocupado por las barras, vigas de apoyo y otros elementos estructurales, además, de obstrucciones propias de la reja (basura, ramas, troncos, etc).

orden normal es de 0,3

L = Largo de las barras en el sentido del escurrimiento.

b = Espesor de las barras.

F (L / b) = 8 + 2,3 * L/b + 2,4 * b/L.

= Angulo diedro entre el plano de la reja y el horizontal.

v = Velocidad media bruta a través de la reja (considera el área bruta total de la reja) v 1 m/s.

Velocidades mayores se producen vibraciones que producen inicio fisuras en las barras.

- LA BARRERA MOVIL.

En obras menores, que captan un caudal pequeño en relación con el del río, muchas veces es posible captar el caudal necesario sin necesidad de construir una barrera, que es una estructura costosa, ya que los niveles naturales en el río son suficientes para permitir la entrada del caudal a la aducción. También puede ser suficiente la construcción de una barrera rústica con el mismo material fluvial del lecho o con gabiones o “patas de Cabra” (estructura muy tradicional en el campo chileno constituida por rollizos de Eucaliptus, malla de alambre y relleno de grava).


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- UMBRAL DE LA BARRERA MOVIL.

Esta estructura constituye una parte importante de la bocatoma y generalmente se dispone en forma normal al eje del escurrimiento del río, formando un ángulo cercano a los 90º con la alineación del umbral de captación. En esta estructura se ubican las compuertas que le dan paso al caudal del río que no es captado. La o las compuertas adyacentes a la obra de captación, al mismo tiempo que evacuan el caudal del río, son compuertas desripiadoras necesarias para efectuar la limpieza de los sedimentos que se depositan al pie del umbral de captación. Las compuertas pueden ser de tipo de segmento, muy adecuadas para compuertas expuestas a una corriente fluvial o planas en el caso de aguas limpias.

El caudal máximo que debe ser capaz de evacuar la barrera móvil debe ser elegido cuidadosamente y normalmente corresponde al caudal peak de una crecida de baja probabilidad de ocurrencia, usualmente con un período comprendido entre TR = 100 a TR = 1000 años, dependiendo de la importancia de la obra y de las consecuencias que pudiese originar una falla en la operación de la barrera móvil.

En la teoría, el costo de la barrera móvil es una función creciente del caudal máximo capaz de evacuar y por el contrario el costos de los estragos que puede ocasionar un caudal que sobrepasa la capacidad de la obra, es inverso a esa capacidad. Considerando la esperanza matemática del riego, es posible situarse en el óptimo económico. La metodología ha sido muy desarrollada para definir el caudal de diseño del evacuador de crecidas de las grandes presas. Aún cuando las obras de pasada, como una barrera móvil (no cumula volumen importante de regulación) son de una envergadura muy inferior, básicamente la misma metodología podría aplicarse.

Determinado el caudal de diseño de la obra es preciso determinar el ancho y la altura de la barrera móvil. Las compuertas están separadas entre sí por machones que además, dan apoyo al puente superior, el que permite acceder a cualquier vano de compuertas y también permite disponer a los mecanismos de izamiento de las compuertas de servicio. Además de las compuertas de servicio, se disponen también compuertas de emergencia aguas arriba y aguas abajo de la de servicio. Estas compuertas son usualmente planas formadas por tableros, los que se instalan mediante un tecle móvil en un carro que se desplaza sobre rieles o mediante un monoriel sobre una viga fija. Si los niveles por aguas abajo no constituyen un problema para acceder a la zona de la compuerta de servicio, se instala solamente las compuertas de emergencia de aguas arriba.

Se indicó anteriormente que el desarrollo de la barrera móvil se hace según la longitud estrictamente indispensable para dar paso a las crecidas del río debido al alto costo de esta estructura. El resto de la sección transversal del río se cierra mediante una barrera fija constituida por un vertedero o bien por un muro de cierre.

Si el río es muy encajonado como el caso de la barrera Maule de la central Isla, la barrera móvil ocupará toda la caja del río. Si por el contrario el río es ancho, como el caso de la bocatoma de la central Pehuenche en el mismo río, pero bastante aguas abajo de la obra anterior, un muro completa el cierre total de la caja del río.


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La cota del umbral de la barrera móvil será cercana o levemente superior a la cota de fondo del lecho del río en la sección transversal donde se implanta la obra. La altura de las compuertas de la barrera móvil debe ser la necesaria para poder captar el caudal del diseño de la obra de toma. Por lo tanto, la altura de las compuertas dependerá del diseño del umbral de captación (del alto del umbral y de su ancho). Si se admite que la altura del umbral de captación es “a”, su ancho es “LU”, y aceptando una velocidad bruta a través de la reja de vR = 1 m/s y siendo “Q0” es caudal de diseño de la obra de toma, entonces la altura “H” de compuerta requerida es de:

H> = a + Q0 / Lu + 0,10 m (2.5)

El último término de la ecuación corresponde a una revancha de 0,10 m. Este valor “H” representa la mínima altura de compuertas. A fin de determinar el valor definitivo, se sugiere hacer varios diseños con diferentes umbrales de captación y elegir aquel que sea el más económico y a la vez armónico con las otras obras.

Una vez determinado la altura “H” de las compuertas, el número de ellas y el ancho total de la barrera móvil “LBM”, deben fijarse imponiendo la condición del nivel máximo para pasar por la barrera la crecida de diseño. También, resulta muy importante verificar que las crecidas más frecuentes, con período de retorno de 20 a 30 años, no produzcan bancos de depósitos de sedimentos aguas arriba de la barrera móvil. Para esto se analizará el escurrimiento en el río suponiendo no debe perder la capacidad de acarreo en el tramo aguas arriba de la obra. De esta forma se evitará la formación de bancos de sedimentos, los que en el largo o mediano plazo constituirán una fuente de entrada de sedimentos a la captación.

Generalmente la disposición de una barrera móvil en un cauce natural constituirá una suerte de estrechamiento en la sección transversal del río y resulta muy frecuente que en las pasadas de las compuertas se genere escurrimiento crítico ( a menos que los niveles de aguas abajo ahoguen la crisis) el que fijará las condiciones del flujo hacia aguas arriba.

III. BOCATOMAS PROFUNDAS.

Las Bocatomas profundas tienen la Obra de toma sumergida y ësta no se observa a simple vista. Normalmente la aduccion es un tunel en presion. La Bocatoma propiamente tal consiste en la obra de captacion o de toma, ya que las otras obras lo


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constituyen la presa o simplemente no existen. Desde el punto de vista de su diseño se distinguen:

a) Bocatomas en Embalsesb) Bocatomas en lagos

Las primeras se pueden construir antes que el nivel de agua llegue a nivel de la obra, es decir, es posible construir la captación en seco y por lo tanto esta obra puede contemplar todos los detalles para su funcionamiento normal y seguro. Mas complejo es el caso de las bocatomas en lagos, las que deben construirse bajo agua, aproximándose con el túnel de aducción hacia el lago y abriendo la comunicación entre ambos mediante explosivos. Se referirá a cada uno de estos tipos de bocatoma.

III.a.- BOCATOMAS EN EMBALSES

La construcción de la obra de captación se hace en paralelo con la construcción de la presa y el diseño dependerá de la altura sobre el fondo del valle, a la cual se ubicará la obra. En las centrales hidroeléctricas el túnel de aducción se ubica a la cota más alta posible a fín de que el túnel de aducción esté sometido a la menor presión interior posible, pero se deberá dejar el volumen de embalse requerido para la regulación de la central. En obras de regadío a menudo es necesario dejar una bocatoma a nivel inferior o bajo, a fin de regar los terrenos cercanos a la presa, además de dejar otras bocatomas a niveles superiores. En este caso es posible aprovechar el túnel de desviación del río como obra de aducción, lo cual constituye una economía importante en el proyecto.

Figura 8

La figura 8 muestra una solución que ha sido muy utilizada en el país. En este caso la bocatoma del túnel de aJucción se deja prevista durante la construcción de la obra de desviación. Como puede apreciarse, en la boca de entrada al túnel se dejan las guías para instalar compuertas planas que permitirán cerrar el túnel. Laobra de captación propiamente tal se construye sobre la clave del túnel.


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Esta obra puede consistir en una toma de agua en forma de torre. En la parte superior se ubica la obra durante la operación de la obra (en muchos casos puede ser necesario inspeccionar el túnel entre la obra de entrada y la casa de válvulas).Una vez terminada la construcción de la presa, se cierra el túnel de desviación mediante una o más compuertas robustas que deberán soportar la presión total con el nivel máximo en el embalse. Estas compuertas quedarán definitivamente bajo aqua y no se operarán jamás. Los sedimentos que se depositarán en el embalse, bloqusarán definitivamente la boca primitiva del túnel. La entrada de aqua al túnel quedará posibilitada a través de la estructura superior con sus paños de rejas periféricos.

En el caso que la toma de agua deba ubicarse sobre la obra de desviación, dejando un volumen muerto en el embalse para recibir a los sedimentos que se depositen durante la vida útil de la obra, el túnel de aducción debe ser independiente del túnel de desviación. En este caso la obra de captación se construye completamente en seco. Es el caso muy frecuente de las centrales hidroeléctricas o de las entregas para regadío a niveles altos.

Figura 9

La figura 9 muestra una solución típica para estas bocatomas. La entrada del agua se hace mediante una estructura abocinada, en cuya sección inicial se disponen los paños de rejas. A la menor distancia posible, dependiendo de las condiciones geotécnicas del terreno, se dispone un pique vertical con dos compuertas (una de emergencia en la entrada al pique y la otra de servicio a la salida del pique). La compuerta de emergencia se puede bajar o subir con presiones equilibradas y normalmente se usa para un reparación del pique o de la compuerta de servicio y constituye un elemento de seguridad. La compuerta de servicio debe permitir el cierre contra escurrimiento en el caso de una avería en la aducción que ponga en riesgo a la obra. E1 caso de una inspección al túnel de aducción, es una faena que podrá programarse con anticipación y el cierre de la compuerta se efectuará con presiones equilibradas. Normalmente la bocatoma se ubica cerca de la presa y en una zona de roca de buena calidad. La boca de entrada debe ubicarse a cierta profundidad, bajo el nivel mínimo de operación de modo que no se generen vórtices en la masa de agua entrante (captando el máximo caudal de la aducción), lo que podría significar entrada de cuerpos flotantes o de aire al túnel de aducción. La profundidad mínima a la que debe


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situarse la boca de entrada se llama “sumergencia S”. La determinación de la sumergencia es un tema que ha sido muy investigado por los investigadores hidráulicos e ingenieros especialistas. Jost Knauss en su texto "Swirling flow problems at intakes" propone una sumergencia dada por la relación:

S/D = 2*F + l/2 (2 9) para F>=0.5S/D = l.5 para todo F < 0.5

siendo F el N° de Froude del escurrimiento en la entrada al túnel, como se indica en la FIG. 10

I

5~ ~ "~: `> ~

figura 10

Las rejas deben tener un área bruta (considera toda el área del paño, incluyendo la superficie ocupada por las barras de la reja) tal que la velocidad media con

esa área (velocidad bruta), no sea mayor de l a l,20 [m/s]. De esta manera se evitan las vibraciones de las barras que pueden producir fisuras en los perfiles metálicos también su colapso.

La geometría de la bocina de entrada se efectúa normalmente con curvas elípticas de semi-ejes con relaciones l:2 o l:3.

III.b.- BOCATOMAS EN LAGOS

En este caso la construcción de la bocatoma es más compleja, puesto que es una estructura sumergida, bajo agua. En Noruega se han ejecutado muchas bocatomas de este tipo, con la técnica de avanzar con un túnel desde aguas abajo hacia la zona de la toma o de entrada; al llegar a la cercanía de la pared rocosa del lago, se vuela el tapón


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10 98Zona 7vertices654Zona Con3vertices210 0.5 1 2 3 4 5


con explosivos, quedando la comunicación hecha. Esta técnica ha recibido el nombre de "tiro noruego". En el país se han ejecutado varias obras de este tipo, todas hechas por la ENDESA y entre las que se pueden mencionar: 3 disparos bajo agua para el vaciado del lago Laja, un disparo para la bocatoma de la central EL Toro y un disparo para la bocatoma de la central Canutillar en el lago Chapo.

En la Fig. 11 se muestra la ejecución de una obra de este tipo.

figura 11.Se construye un pique vertical lo más cerca posible del lago (todas las obras se

suponen en roca). Este pique se conecta con el túnel de aducción, pero se deja un tapón de roca de modo que el túnel se comunica definitivamente después de la ejecución del disparo bajo agua. Desde el pique se avanza hacia el lago con un túnel (parte del túnel de aducción), faena que debe ser ejecutada muy cuidadosamente, efectuando sondajes inclinados en forma de abanico, para hacer inyecciones de lechada de cemento e impermeabilizar a la roca. En la medida que la frente del túnel se aproxima al lago, aumentan las filtraciones de agua y todas las grietas de la roca deben sellarse. También es delicado llevar el control de la distancia de aproximación al lago. Inmediatamente aguas abajo del tapón de roca (con un espesor normalmente comprendido entre 3 y 5 [m]), el cual deberá ser volado con explosivos, se construye una taza excavada en la roca para recibir todo el material producto del disparo. Lo ideal es que todo este material quede atrapado en la taza evitando que trozos de roca queden en el túnel de aproximación. El espesor del tapón de roca, entre el túnel de comunicación y el lago, se controla haciendo perforaciones en la roca. Un buzo autónomo, ubicado junto al paramento de roca por el lado del lago, inserta un tapón de madera simultáneamente con la aparición de la broca de la perforación, para evitar la filtración de agua hacia el interior del túnel. Controlado completamente el tapón se procede a cargar con explosivos las perforaciones en la roca (Se utilizan alrededor de 500 [kg] de explosivo por m3 de roca) y se ejecuta el disparo bajo agua.

El disparo bajo agua para habilitar la boca de entrada al túnel de aducción de la central Canutillar, en el lago Chapo, se hizo en forma algo diferente. El túnel de comunicación con el pique se dejó con agua, manteniendo una bolsa de aire a presión a fin de evitar la propagación de la onda expansiva del disparo hacia el túnel. La razón fue la longitud del túnel de comunicación entre el lago y el pique, disminuyendo considerablemente las oscilaciones de la masa de agua en el túnel y pique.

_ _ . _ . . . r


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IV. BOCATOMAS DE ALTA MONTAÑA

Las bocatomas de alta montaña permiten interceptar y captar el agua de torrentes cordilleranos. Generalmente están ubicadas en lugares que son inaccesibles durante una cierta época del año (invierno). Las características que marcan el diseño de estas bocatomas son:

- Imposibilidad de efectuar una mantención continua durante el año.

- Deben captar en escurrimiento rápidos o torrentes.

- Los torrentes cordilleranos presentan gran acarreo de sólidos durante las crecidas.

- Están expuestas a aluviones y derrumbes de los cerros cercanos.

- Hay gran diferencias entre los caudales mínimos y máximos durante el año.

Existen varios tipos de estas captaciones. En el curso nos referiremos solamente a las captaciones de tipo “sumidero” que han sido muy utilizadas en el país.

Chile, en su carácter de país cordillerano, cuenta con un gran conjunto de recursos hidráulicos de alta montaña, los que pueden explorarse haciendo uso de estas obras.

IV.1.- Características Generales de la Captaciones de Sumidero.

Generalmente un captación de tipo sumidero se compones de las siguientes partes:

- Estructura receptora del caudal líquido que es una fosa excavada en el lecho del torrente, normalmente atravesada al escurrimiento, y cubierta por una reja gruesa y robusta con las barras en el en el sentido del flujo. En la Figura 12 se muestra un esquema de esta obra.


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Figura 12.

- Un canal desripiador o desarentador de arena gruesa. Consiste en una cámara en la cual se produce una disminución de la velocidad del escurrimiento, permitiendo la decantación de las partículas sólidas acarreadas por el escurrimiento y que pasaron la reja de captación.

- Una compuerta de purga de abertura rápida y en lo posible automática, de modo que cuando se ha depositado una cantidad importante de sedimentos en la cámara desripiadora, se abre en forma rápida generando un torrente enérgico que permite limpiar a la cámara y evacuar a los sólidos hacia el río.

- Un sistema de seguridad que permita controlar el caudal máximo captado y que normalmente consiste en un estrechamiento a la salida de la fosa de captación, antes del desripiador.

- Obra de aducción que lleva el agua a la zona de utilización.

La figura 13. muestra en forma esquemática la disposición de una captación de este tipo. A continuación se analiza más detenidamente el diseño de la reja sumidero.


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Figura 13.

IV.2.- Reja de captación

- Pendiente y separación de barras.

La pendiente de la reja varía entre el 10% y el 50%, pendientes mayores no mejoran las condiciones de eliminación de los materiales sólidos y en cambio aumenta la pérdida de agua.

La forma de las barras debe ser tal que evite en lo posible el atascamiento de las piedras que pasan a través de la reja, asegure un escurrimiento ordenado y sin remolinos y ofrezca una resistencia adecuada a la flexión producida por los esfuerzos hidrodinámicos.

La separación de las barras es un factor que dimensiona a la reja y que está ligado con la disponibilidad de ancho para implantar a la captación y a las facilidades para evacuar a los sólidos que pasan entre las barras de la reja. El tamaño máximo de las gravillas que se consideran aceptables que puedan ingresar a la obra de captación, fija la separación de las barras.

- Determinación de las características de la reja.

A continuación detallaremos el criterio de Mostkow (1957), el cual se ha mostrado muy de acuerdo con medidas efectuadas en obras reales, el método de Mostkow parte de las siguientes hipótesis:

- El escurrimiento sobre la reja sumidero conserva el Bernoulli, es decir es a energía constante. (Ver figura 14.)

- La velocidad del flujo a través de la reja se debe a la carga hidrostática más la altura de velocidad, en el caso de rejas con las barras orientadas en el sentido


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del escurrimiento. En el caso de una plancha perforada (con perforaciones circulares) se debe considerar solamente la carga hidrostática “h”.

- El coeficiente de gasto es constante a lo largo de la reja.

- El efecto de la pendiente de la reja puede considerarse incorporado en el coeficiente de gasto. El método puede aplicarse para inclinaciones menores al 15%.

Figura 14.

Denominando “Bs” al ancho de la reja sumidero y LR al largo de la reja en el sentido del escurrimiento, la energía específica en una sección cualquiera de la reja (distancia x), queda por la siguiente expresión:

B = h + v2 /2g = h + Q2 / 2g (Bs * h)2 (1)Derivando la ecuación anterior con respecto a “x” y haciendo dB/DX = 0

(Bernoulli constante), se obtiene la pendiente del eje hidráulico en la sección cualquiera “x”:

dh/dx + 2Q (dQ/dx) / 2g (B s * h) 2 + Q 2 * (-2) h -3 / (2gB s2 ) +dh/dx = 0

Ordenando y despejando el término dh/dx:

dh/dx = Q*h* (-dQ/dx) / (gBs2 h3 – Q2) (2)

a) Caso de una reja formada con barras en el sentido del escurrimiento.

El caudal por una longitud “dx” de reja, según las hipótesis hechas, debe ser

dQ = -Bs * Cs * CQ * * dx (3)

Siendo CQ = coeficiente de gasto. BsCs = área efectiva del escurrimiento.


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Despejando el valor de Q de la ecuación (2.11) y llevando este valor juntamente con col dQ / dx de la ecuación (2.13) a la ecuación (2.12), se obtiene para dh/dx la expresión:gt

dh/dx = 2CsCQ / (3h – 2B ) (4)

La integración de esta ecuación permite obtener la forma del perfil del eje hidráulico en la zona de la reja. El resultado es:

x = - h / (Cs * CQ) + C

Determinando la constante de integración “C” para x-0 y h-h1, según la relación anterior se obtiene:

C = h1 / (CsCQ)

Reemplazando el valor de “C” en la ecuación de “x” se obtiene:

(5)

Haciendo h – 0 es posible determinar la longitud de reja necesaria para captar todo el caudal del torrente de altura “h1”

(6)

Pero el caudal Q1 del torrente de altura h1 puede determinarse:

Llevando esta expresión a la ecuación (2.16), el largo necesario de reja determinarse con la expresión:

(7)

b.- Reja reemplazada por una plancha perforada

Se supone que los orificios de la plancha son circulares. En este caso hay un cambio de dirección brusco debido a un choque con los bordes del orificio, lo cual origina una pérdida de carga equivalente a la altura de velocidad. Se debe cumplir:

(8)


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En este caso CS corresponde al porcentaje del área de los orificios con respecto al área total del sumidero. Considerando la ecuación (1) y despejando Q:

(9)

Reemplazando las ecuaciones (8) y (9) en la relación (2), se obtiene:

Ordenando la ecuación:

(10)

La integración de la ecuación (10), teniendo en cuanta que para x=0 h=h1, permite obtener la siguiente relación:

(11)

Haciendo h=0 se determina el largo necesario de reja:

(12)

- Forma de las barras de las rejas sumidero.

En 1954 J. Orth efectuó un estudio experimental para determinarla forma más adecuada de las barras de un sumidero. Se examinaron 5 tipos diferentes de perfiles mostrados en la figura. Orth entregó los resultados obtenidos indicando el porcentaje de agua captado para cada tipo de barra utilizada, para un sumidero de un largo fijo, con respecto al caudal que llegaba al inicio del sumidero. En la tabla adjuntada se muestran los porcentajes captados para las inclinaciones de reja del 0% y del 20%.


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CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO.

Los principales aspectos hidráulicos que deben considerarse en el diseño de una bocatoma, son:

- Eliminar lo más posible la entrada de sedimentos a las obras de aducción. Estos sedimentos pueden producir inconvenientes, como son los depósitos de material en el canal (pueden restarle capacidad de porteo a la aducción), erosión en los revestimientos y máquinas hidráulicas (turbinas y bombas), colmatación de filtros en el riego tecnificado, etc. Con este objeto debería ser posible eliminar los bancos de los sedimentos depositados en la poza.

- Disipación de la energía hidráulica al pie de la barrera móvil, la que puede ser importante durante la operación de las compuertas de la barrera. Es importante la disipación de energía al pie de la compuertas desripiadora. Disipación de la energía


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al pie de la barrera vertedero, si ella existe, ya que su operación significa bajar un caudal importante en cota, desde el espejo de agua en la poza al nivel del río en la descarga.

- Protección de la obras de las socavaciones que podrán producirse al pie de la barrera móvil, barrera fija, zonas de la expansión del flujo aguas abajo de las barreras, etc.

- Controlar las filtraciones bajo las obras, a fin de evitar el movimiento de los materiales finos del suelo de fundación (fenómeno de “piping”). También la determinación de las subpresiones para el diseño estructural de las obras.


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DISEÑO Y CALCULOS HIDRAULICOS DE BOCATOMAS

GENERALIDADES

La función de bocatomas para minicentrales hidroeléctricas es tomar del río las cantidades de agua necesarias para la generación de energía, con o sin embalse pequeño en la otra toma. Para tal efecto se requiere una estructura de retención del río así como una obra de toma para la evacuación de las cantidades de agua destinadas a la generación de energía (agua motriz).

Una posición particular ocupa la toma directa en el lecho del río (comp. vertedero tipo "Tirol"), que combina la retención del agua y su derivación en una sola estructura.

Los diferentes elementos de la bocatoma deberán ser diseñados de tal manera que cumplan con los siguientes requerimientos básicos:

El agua tomada debe ser, en lo posible, libre de sólidos, a fin de no cargar el siguiente desarenador al igual que el canal de aducción con mucho material de acarreo (sólidos).

El material sólido, que se deposita aguas arriba detrás del presa (a pesar de los dispositivos de prevención), debería ser evacuado por el flujo de agua restante en el río o por un chorro de lavado intermitente.

El tipo de construcción debería ser simple y económico, facilitando una operación sin mantenimiento y requiriendo trabajos simples de reparación.

En épocas de crecidas las descargas deben ser evacuadas de la obra de retención y de la obra de toma en forma segura y sin causar daños algunos.

El diseño y la construcción respectiva del barrera y de la obra de toma deben ser efectuadas de tal manera que la derivación de las cantidades mínimas de agua motriz sea garantizada con cualquier caudal del río. (Para tal fin deberán fijarse precisamente las cotas de nivel de las crestas de las diferentes obras para embalsar el río y para la toma de agua motriz, en dependencia del nivel del agua del río).

Para la captación de aguas motrices de ríos, que llevan arrastres de sólidos, son apropiadas tomas laterales mediante espigones sin embales así como vertederos tipo "Tirol" (tomas en el lecho), para minimizar la introducción de sedimentos en el canal de agua motriz.

TOMA LATERAL MEDIANTE ESPIGONES

Una toma típica de agua mediante espigones está representada en la Fig. 2.1. Se desvía el agua del río o riachuelo hacia el canal de aducción, colocando un espigón, que consiste de sentados de piedras, en el río. De acuerdo a las condiciones locales, esta obra de toma puede ser construida con o sin barrera (ver Fig. 2.1.).

La bocatoma sin barrera conviene para la captación de caudales más pequeños.

En períodos de estiaje o de niveles medios de agua, en los cuales el río lleva ninguno o pocos sedimentos, el canal de aducción no es afectado por la introducción de arrastres de sólidos.


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En épocas de crecidas sin embargo, cuando el río lleva grandes cantidades de acarreo, el espigón es destruido, de manera que los sedimentos quedan en el río, ya que solamente caudales pequeños, en relación a los caudales del río, son descargados del canal de aducción.

Luego al descenso de las crecidas, al final de la época de lluvias, hay que restablecer el espigón para garantizar la descarga de agua hacia el canal de aducción en la subsiguiente época de estiaje.

Esta manera de dimensionamiento de tomas laterales mediante espigones no hace posible averiguar las condiciones hidráulicas exactas de las descargas que entran al canal de agua motriz, puesto que el caudal afluente hacia el canal, guiado por un espigón, depende mucho de las condiciones del flujo en el río (en especial del nivel del agua en el río).

Mediante la aplicación de las curvas características del río y del canal (las relaciones entre niveles y caudales, ver Fig. 2.1.) sólo se puede estimar las descargas aproximativas que entran al canal de agua motriz. Estas descargas de agua motriz se las puede averiguar en dependencia de los niveles de agua tanto del río como del canal que coinciden en la zona de la toma, por lo cual es posible deducir el caudal aproximativo correspondiente en el canal de agua motriz.

VERTEDERO TIPO "TIROL" (TOMA EN EL LECHO)

La bocatoma situada en el lecho capta el agua motriz desde el fondo del río (Fig. 2.2.). Para tal efecto se dispone de un colector fijado en dirección del flujo, siendo cubierto con una rejilla. Las barras de la rejilla se tienden en dirección de la corriente, y las mismas impiden el ingreso de sedimentos más gruesos al colector, los cuales son evacuados y transportados hacia aguas abajo. Granos con tamaños menores que el espaciamiento de las barras de la rejilla son llevados con el agua derivada por el colector y deben ser separados posteriormente. La estructura ubicada en el lecho puede ser construida al nivel del fondo del río o erigida del mismo en forma de un vertedero.

Para el diseño de la toma en el lecho hay que tomar en consideración lo siguiente:

Construcción maciza del cuerpo de concreto, ya que la obra está sujeta a grandes fuerzas de abrasión.

Angulo de inclinación de la rejilla recomendado entre 5º y 35º.

Fijación firme de las barras de rejilla.

Borde suficientemente libre entre nivel de agua en el colector y la cota superior de la rejilla (como mínimo 0.25 t, con t = profundidad máxima del agua en el canal colector).

Pendiente suficiente del colector para la evacuación de los sedimentos introducidos por la rejilla. El tamaño de estos sedimentos está limitado por el espaciamiento entre las barras.

Al dimensionar la toma en el lecho hay que considerar que todo el caudal afluente del río es tomado hasta llegar al límite de la capacidad de la rejilla. En caso de que la


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cantidad máx. posible de agua captada sea mayor que la descarga en épocas de estiaje, el río en el tramo aguas abajo queda seco.

Si el caudal afluente sobrepasa el límite de la capacidad de la rejilla, (por ej. durante épocas de crecidas), las descargas no derivadas son evacuadas por encima de la rejilla hacia aguas abajo. Por estas razones, la delimitación de la cantidad máxima de agua motriz es más exacta mediante una bocatoma en el lecho del río que mediante un vertedero lateral con barrajes firmes (pero hay que tomar los dispositivos apropiados para la separación de cantidades mayores de sólidos ingresantes al canal colector).

Toma lateral mediante espigones con barrera

Toma lateral mediante espigones sin barrera


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Fig. 2.1 - Descargas en el canal de agua motriz y en el río, en relación del nivel de aguas arriba

Fig. 2.2 - Vertedero tipo "Tirol" /toma en el lecho del río

CRITERIOS DE SELECCION

La toma de agua mediante espigón siempre es recomendable para los ríos de las Cordilleras peruanas, que llevan grandes cantidades de sedimentos y parcialmente tienen fuertes pendientes, tanto más cuanto no afectan considerablemente ni el río ni el régimen fluvial.


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Los criterios para la selección de la toma en el lecho se los pueden tomar del siguiente Cuadro 2.1.

Cuadro 2.1 - Criterios de selección

Criterios de selección Toma en el lecho (vertedero tipo "Tirol")

Captación de agua para la generación de energía hidroeléctrica

Bien posible en conexión con un desarenador

Caudal de captación La rejilla en el fondo siempre capta del río cada caudal afluente hasta llegar al límite de la capacidad de la rejilla

Pendiente del río:

- muy fuerte (I > 10 %) hasta fuerte (10 % > I > 1 %):

Muy favorable; esta obra ha probado su eficacia debido a su operación sin mantenimiento, en caso de que sea bien construida.

- pendiente media (1 % > I > 0.01 %):

Desfavorable; sedimentos finos entran en el colector, lo que puede causar fuerte sedimen tación delante del canal de agua motriz o en el mismo; la disposición de las facilidades de lavado es más difícil.

- pendiente suave (0.01 % > I > 0.001 %)

Desfavorable.

Curso del río:

- recto: Muy favorable debido a un paso de agua uniforme por la rejilla

- sinuosoDesfavorable, debido a un paso de agua no uniforme por la rejilla

- bifurcado Desfavorable

Caudal sólido del río:

-concentración del materialsólido en suspensión:

- alta concentración Menos apropiada

- baja concentración Muy favorable

-transporte sólido de fondo:

- fuerteBien apropiada en caso de sedimentos gruesos; la evacuación de sedimentos finos por facilidades de lavado es difícil y costosa

- pequeño Bien apropiada

Ejemplo de cálculo 1 - Toma en el lecho del río (Vertedero tipo "Tirol")

Dimensionamiento de un vertedero situado en el lecho (vertedero tipo "Tirol")

Un vertedero tipo "Tirol" es una toma verticalmente alcanzada por la corriente y su construcción es de tal manera, que el agua del río corre por encima del vertedero equipado con una rejilla suavemente inclinada (ver Fig. 2.3.). El agua captada, pasando por la rejilla, cae al canal colector situado más abajo y éste facilita la evacuación lateral del agua.


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Para el dimensionamiento del vertedero tipo "Tirol" se aplica la fóula del vertedero:

(m3/s)

En esto significan:

Q= caudal captado (m3/s)


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a = aberturas (espaciamiento) de las barras de la rejilla (m)d = distancia entre ejes de las barras (m)ß = angulo de inclinación de la rejilla (grados)μ = coeficiente de derrame por la rejilla (-)

los diferentes coeficientes se toman de las tablas en Fig. 2.3.

La rejilla inclinada impide la acumulación de material acarreado que obstaculice la evacuación de aguas. El vertedero de tipo "Tirol" es muy apropiado como obra de toma en ríos que llevan mucho material de acarreo. Para garantizar la evacuación míma de agua motriz, es necesario, dado el caso que se traben piedras en las barras o en caso que éstas sean obstruidas (cubiertas) por ramas/hojas (en estiaje), aumentar la longitud de la rejilla por un 20%.

l incrementada = 1.2 . Lcalculada

El canal colector será diseñado según las condiciones siguientes:

El ancho del canal corresponda aproximadamente a la longitud de la

rejilla L. Más exacto: B = L . cos , = inclinación de la rejilla contra la horizontal.

La profundidad del canal corresponda aproximadamente al ancho T = B

La profundidad del canal deje un borde libre entre el nivel acuático y la cota superior de la rejilla 0.25 .t (t = tirante necesaria para evacuar el agua motriz mínima)

En caso de que la capacidad de descarga del canal sea suficiente con las dimensiones antes recomendadas, entonces debe aplicarse una mayor pendiente o profundizarse el canal (incrementando el tirante t).

-La delimitación de la descarga de aguas motrices es dada por la capacidad hidráulica del canal (dada por la sección).

Ejemplo numérico

Perpendicular al cauce de un río se diseña un vertedero en el lecho con una descarga a evacuar de QA = 0.85 m3/s. El ancho del río en el lugar de la captación tiene aproximadamente 8 metros. El nivel mínimo de agua en el río (=nivel inicial) en épocas de estiaje es de ho = 0.5 m.

Se requiere las dimensiones necesarias del vertedero para garantizar el caudal a captar de QA = 0.85 m3/s

Datos escogidos (ejemplos):


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Coeficiente de derrame de la rejilla (barras redondas)Espaciamiento ente las barras Distancias entre ejes de las barras Inclinación de la rejilla

Con esto se averigua:

Con estos datos se calcula el derrame por la rejilla (a primero) en función del ancho B y de la longitud L de la rejilla:

Ancho de rejilla b (m) 2 4 5Longitud de rejilla L (m)

1.00 0.51 0.34

Ancho escogido de refjilla: b = 4 m

A este ancho corresponde la longitud L:

L = 2.03 /b = 2.03 /4 = 0.51 m

La selección del ancho de la rejilla con la longitud correspondiente se hace según los siguientes criterios:

Adaptación del vertedero tipo "Tirol" a las condiciones locales

Selección de suficiente longitud de la rejilla, la cual fija el ancho del canal colector subyacente. Si se escoge una longitud insuficiente, entonces resulta un canal colector más profundo que pueda evacuar las aguas necesitadas. Tal solución puede traer costos más altos. Por eso se recomienda aplicar la misma medida para la longitud de la rejilla (proyectada hacia la horizontal) y para su ancho.

Durante la operación del vertedero puede ocurrir el caso que, por obstrucciones debido a la acumulación de piedras, hojas, ramas, la rejilla ya no garantice la evacuación del


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caudal mínimo requerido hacia el canal colector. Por eso, la longitud de la rejilla L debería ser incrementada por un 20%

En nuestro caso: L = 1.2 . 0.51 = 0.61 m

Dimensionamiento del canal colector (ver Fig. 2.3).

El agua colectada en el canal debajo de la rejilla comienza a caer en el lado opuesto a la entrada del propio canal de aducción (hacia la planta) y aumenta en forma continua por el ancho hacia el otro extremo de la rejilla y ahí alcanza su cantidad máxima. Esta sección del canal colector es la decisiva para el dimensionamiento (todo el canal colector será dimensionado de acuerdo a esta sección decisiva para simplificar el diseño):

Dimensiones escogidas (ejemplo numérico):

- Ancho del canal colector: B = 0.65 m

- Rugosidad Ks = 50 (para concreto)

- Pendiente: I = 30%

(Se recomienda usar una pendiente mínima de 30% para facilitar la eliminación entera de los sólidos cayendo a través de la rejilla y siendo acumulados en el canal colector. Para esta eliminación se requiere una gran fuerza de arrastre y esa depende de la velocidad del agua. La velocidad a su vez depende de la pendiente del canal J

Se busca: el tirante (nivel) de agua t

Fórmula de descarga para canales rectangulares:

QA = B . t . Ks . I 1/2 . (B.t/b + 2t) 2/3 (m3/s)

Introduciendo los valores:

CA = 0.85 m3/s = 0.65*t*50*(0.03)1/2*(0.65*t/(0.65+2*t))2/3

0.85 = 5.6* (0.65*t/(0.65+2*t))2/3

Solución iterativa de la ecuación mediante diferentes valores t:

Resultado: t = 0.46 m

Borde libre: 0.25*t = 0.12 m

Profundidad total del canal: 0.46 + 0.12 = 0.58 m


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diseño bocatoma-001

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